МАТ ИЗ СТЕКЛЯННЫХ ВОЛОКОН ИЛИ ПОЛИОЛЕФИНОВЫХ ВОЛОКОН, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ В КАЧЕСТВЕ СЕПАРАТОРА В СВИНЦОВО-КИСЛОТНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕЕ Российский патент 2016 года по МПК H01M2/16 H01M10/14 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Настоящее изобретение в основном относится к сепараторам батарей, и более конкретно, к сепараторам батарей, имеющим проводящие слой или поверхность.

[0002] Батареи, такие как свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, широко применяются для разнообразных целей и в разнообразном оборудовании. Например, свинцово-кислотные аккумуляторные батареи широко применяются в автомобильной промышленности, где эти батареи используются для питания стартера двигателя для вращения двигателя внутреннего сгорания и запуска работы автомобиля. Другие распространенные варианты применения свинцово-кислотных аккумуляторных батарей в автомобилях включают запитывание разнообразных агрегатов или оборудования, таких как CD-плейеры, фары, разъемы питания и тому подобное. Применение батарей и зависимость от них в автомобилях возрастают по мере того, как такие транспортные средства становятся менее зависимыми от нефтепродуктов как средства снабжения транспортного средства энергией и больше основываются на альтернативных видах энергии. В настоящее время производятся многие автомобили, которые приводятся в движение либо полностью электрической энергией, либо гибридным источником энергии, таким как сочетание электроэнергии и нефтепродукта. Для этих автомобилей часто актуальны повышенные требования к электрическому току и времени разряда батареи по сравнению с прочими вариантами применения. Батареи также широко используются для разнообразных других промышленных или развлекательных целей, таких как запитывание промышленного оборудования, бытовых приборов, игрушек и тому подобного.

[0003] Применение батарей и зависимость от них скорее всего в будущем будут увеличиваться. Таким образом, существует непреходящая потребность в улучшенных средствах для создания батарей с повышенной выходной мощностью и/или увеличенным ресурсом батареи.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Варианты реализации изобретения предусматривают сепараторы батарей с электропроводящей поверхностью для усиления течения электронов на поверхности или поверхностях сепаратора батареи и тем самым продления ресурса батареи. Согласно одному варианту реализации предусмотрена свинцово-кислотная аккумуляторная батарея. Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея может включать положительный электрод, отрицательный электрод и волокнистый мат, расположенный между положительным и отрицательным электродами и разделяющий электроды для их электрической изоляции. Волокнистый мат может включать множество волокон и проводящий материал, размещенный на по меньшей мере одной из его поверхностей. Проводящий материал может контактировать с положительным или отрицательным электродом и может иметь электрическое сопротивление менее чем примерно 100000 Ом на квадрат, чтобы позволять электронам позволять на поверхности волокнистого мата.

[0005] В одном варианте реализации проводящий материал может иметь электрическое сопротивление менее чем примерно 50000 Ом на квадрат. Согласно нескольким вариантам реализации проводящий материал может иметь несколько конфигураций, включая: покрытие из проводящего материала, нанесенное на упомянутую по меньшей мере одну поверхность волокнистого мата, проводящий волокнистый мат, расположенный примыкающим к упомянутой по меньшей мере одной поверхности волокнистого мата, множество проводящих полимеров, вплетенных внутри волокнистого мата и/или расположенных поверх мата, и тому подобные. Волокнистый мат также может включать дополнительный проводящий материал, размещенный на другой поверхности волокнистого мата так, что и положительный, и отрицательный электроды контактируют с одним из соответственных проводящих материалов.

[0006] Согласно еще одному варианту реализации предусмотрен сепаратор батареи. Сепаратор батареи может включать мат, который включает множество электроизолирующих волокон. Мат может быть предназначен разделять электроды батареи для электрической изоляции электродов. Проводящий материал может быть размещен на по меньшей мере одной поверхности мата и может контактировать с одним из электродов батареи. Проводящий материал может позволять электронам течь на поверхности мата.

[0007] Сепаратор батареи может также включать микропористую мембрану, размещенную на поверхности, противоположной проводящему материалу. В одном варианте реализации на противоположной первому мату поверхности микропористой мембраны может быть размещен второй мат, так что микропористая мембрана проложена между матами. На наружной поверхности второго мата может быть размещен второй проводящий материал таким образом, что второй проводящий материал контактирует со вторым электродом батареи. Подобно первому мату, второй проводящий материал может иметь электрическую проводимость, которая позволяет электронам течь на поверхности второго мата.

[0008] В некоторых вариантах реализации первый и/или второй проводящий материал может включать: проводящие полимеры, наноуглеродные материалы, металл, медь, титан, ванадий, графит, графен и тому подобные. В одном варианте реализации мат представляет собой стеклянный мат, а проводящий материал представляет собой покрытие, нанесенное на стеклянный мат. Покрытие может включать смесь связующего и проводящего материала. В еще одном варианте реализации мат представляет собой стеклянный мат, а проводящий материал представляет собой второй мат, который включает множество проводящих волокон, причем второй мат расположен примыкающим к мату.

[0009] Согласно еще одному варианту реализации предусмотрен нетканый волокнистый мат с проводящей поверхностью. Нетканый волокнистый мат включает множество спутанных волокон, которые образуют нетканый волокнистый мат, связующее, которое способствует соединению множества спутанных волокон, и слой проводящего материала, размещенный на по меньшей мере одной поверхности множества спутанных волокон. Проводящий материал имеет электрическую проводимость, достаточную для обеспечения проводящей поверхности нетканого стеклянного волокнистого мата.

[0010] Согласно еще одному варианту реализации предусмотрен способ снабжения сепаратора батареи проводящей поверхностью. Способ может включать обеспечение наличия волокнистого мата, содержащего множество электроизолирующих волокон, и нанесение проводящего материала на по меньшей мере одну поверхность волокнистого мата. Проводящий материал может образовывать проводящий слой на поверхности волокнистого мата, и этот проводящий слой может иметь электрическую проводимость, которая позволяет электронам течь на поверхности волокнистого мата. В одном варианте реализации проводящий материал может иметь электрическое сопротивление менее чем примерно 100000 Ом на квадрат, тогда как в еще одном варианте реализации проводящий материал имеет электрическое сопротивление менее чем примерно 50000 Ом на квадрат.

[0011] Способ также может включать расположение сепаратора батареи между положительным электродом и отрицательным электродом батареи так, что проводящий слой контактирует с одним из электродов для усиления течения электронов относительно находящегося в контакте электрода. В одном варианте реализации нанесение проводящего материала на упомянутую по меньшей мере одну поверхность волокнистого мата включает нанесение покрытия из проводящего материала на множество волокон. Покрытие из проводящего материала может включать связующее, смешанное с проводящим материалом. Волокнистый мат может быть пропитан связующим, и/или связующее может быть распылено (набрызгано) поверх упомянутой по меньшей мере одной поверхности волокнистого мата. В еще одном варианте реализации этап нанесения проводящего материала на упомянутую по меньшей мере одну поверхность волокнистого мата включает расположение второго волокнистого мата примыкающим к поверхности волокнистого мата. Второй волокнистый мат может включать множество проводящих волокон и/или множество волокон, покрытых проводящим материалом.

[0012] Способ может дополнительно включать расположение микропористой мембраны на противоположной поверхности волокнистого мата. Способ может дополнительно включать расположение проводника положительного электрода примыкающим к поверхности положительного электрода и расположение сепаратора батареи примыкающим к положительному электроду так, что проводящий слой контактирует с положительным электродом. Положительный электрод может быть размещен между волокнистым матом и проводником положительного электрода так, что электроны на первом участке положительного электрода протекают по проводящему слою волокнистого мата к положительной клемме батареи, когда проводящий слой обеспечивает путь электрического тока с минимальным сопротивлением на первом участке. Электроны на втором участке положительного электрода могут протекать к положительной клемме батареи по проводнику положительного электрода, когда этот проводник положительного электрода обеспечивает путь электрического тока с минимальным сопротивлением на втором участке.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0013] Варианты реализации настоящего изобретения описаны в сочетании с сопроводительными фигурами:

[0014] Фиг.1 иллюстрирует вид в разрезе элемента (аккумулятора) батареи, имеющего положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором батареи, включающим проводящую поверхность или проводящий слой согласно одному варианту реализации изобретения.

[0015] Фиг.2 иллюстрирует вид в разрезе еще одного элемента (аккумулятора) батареи, имеющего положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором батареи, включающим проводящую поверхность или проводящий слой согласно еще одному варианту реализации изобретения.

[0016] Фиг.3 иллюстрирует вид в перспективе сепаратора батареи, имеющего проводящий слой или проводящую поверхность согласно одному варианту реализации изобретения.

[0017] Фиг.4 иллюстрирует увеличенный вид в разрезе элемента (аккумулятора) батареи, имеющего сепаратор батареи, включающий проводящую поверхность или проводящий слой согласно одному варианту реализации изобретения.

[0018] Фиг.5 иллюстрирует способ снабжения сепаратора батареи проводящей поверхностью или проводящим слоем согласно одному варианту реализации изобретения.

[0019] На сопроводительных фигурах сходные компоненты и/или признаки могут иметь одинаковые цифровые ссылочные обозначения. Кроме того, различные компоненты одного и того же типа можно различать по ссылочному обозначению буквой, которая обеспечивает различение сходных компонентов и/или признаков. Если в описании используется только первое цифровое ссылочное обозначение, то описание применимо к любому из подобных компонентов и/или признаков, имеющих такое же первое цифровое ссылочное обозначение, независимо от буквенного индекса.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0020] Варианты реализации изобретения предусматривают сепараторы батареи с электропроводящей поверхностью для усиления течения электронов на поверхности или поверхностях сепаратора батареи и тем самым увеличения ресурса батареи. Описываемые здесь сепараторы батареи могут быть особенно полезными для продления ресурса свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, где постоянный (непрерывный) разряд батареи приводит к разрушению электродов батареи. Например, во время разряда свинцово-кислотной аккумуляторной батареи диоксид свинца (хороший проводник) в пластине положительного электрода преобразуется в сульфат свинца, который в общем является изолятором. Сульфат свинца может образовывать непроницаемый слой или слои, заключающие в себе частицы диоксида свинца, что может ограничивать полезное использование диоксида свинца, а значит, и батареи, до менее, чем 50 процентов емкости, а в некоторых случаях - примерно 30 процентов. Изолирующий слой сульфата свинца также может вести к более высокому сопротивлению у батареи. Эффектом может быть снижение электрического тока, выдаваемого батареей, и/или ресурса разряда батареи.

[0021] Электропроводящий сепаратор батареи может улучшить или увеличить ресурс свинцово-кислотной аккумуляторной батареи путем усиления течения электронов или тока внутри батареи. В некоторых вариантах реализации электропроводящая поверхность сепаратора батареи обеспечивает дополнительный путь для течения электронов (то есть дополнительный путь электрического тока), причем этот дополнительный путь является отдельным от пути, обеспечиваемого проводником - пластиной или решеткой батареи. В других вариантах реализации электроны могут протекать на электропроводящей поверхности сепаратора батареи или по проводнику - пластине или решетке, в зависимости от того, какой проводник обеспечивает маршрут или путь с минимальным сопротивлением к клемме батареи. Таким образом, по мере того как электроды постепенно деградируют вследствие образования сульфата свинца, маршрут или путь электронов через электрод и/или по поверхности сепаратора батареи можно приспособить для компенсации этой деградации.

[0022] Сепаратор батареи может включать волокнистый мат, включающий множество электроизолирующих волокон. Волокнистый мат может иметь электрическое сопротивление более чем примерно 1 миллион ом на квадрат. Волокнистый мат может представлять собой нетканый пористый мат, где множество волокон спутаны и/или соединены связующим. В одном варианте реализации волокнистый мат включает стеклянные волокна, полиолефиновые волокна, волокна из сложного полиэфира и тому подобные. Волокнистый мат из стекла, полиолефина или сложного полиэфира может обеспечивать армирующий слой для сепаратора батареи. Сепаратор батареи также может включать микропористую мембрану или полимерную пленку, размещенную примыкающей к одной поверхности волокнистого мата. Микропористая мембрана может включать поры, размеры которых подобраны меньшими, чем в волокнистом мате. Сепаратор батареи может предотвращать физический контакт между положительным и отрицательным электродами батареи, в то же время обеспечивая возможность свободного ионного транспорта сквозь мат.

[0023] На противоположной микропористой мембране поверхности волокнистого мата может быть расположен электропроводящий материал, который придает волокнистому мату электропроводящую поверхность. Сепаратор батареи может быть расположен внутри батареи таким образом, что электропроводящий материал/слой контактирует с одним или более электродами батареи. В некоторых вариантах реализации электропроводящий материал включает слой или мат из проводящих волокон, или слой из других проводящих материалов, такой как металлический лист или фольга. В других вариантах реализации проводящий материал может включать покрытие из проводящего материала, нанесенное на волокнистый мат или поверх него. В одном конкретном варианте реализации проводящий материал добавляют к связующему веществу, которое наносят на множество волокон во время изготовления волокнистого мата, или распыляют поверх ранее изготовленного волокнистого мата.

[0024] Электропроводящий слой волокнистого мата может быть размещен на практически всей поверхности волокнистого мата, так что электропроводящий слой по размеру и форме практически эквивалентен волокнистому мату. Таким образом, электропроводящий слой обеспечивает большую проводящую поверхность, которая контактирует с электродом и по которой могут протекать электроны. Большая проводящая поверхность также обеспечивает практически неограниченные пути или маршруты, вдоль которых могут протекать электроны по мере того, как в результате повторяющихся заряда и разряда батареи образуется изолирующий сульфат свинца.

[0025] В некоторых вариантах реализации сепаратор батареи включает проводящий материал или слой на обеих поверхностях, так что и положительный, и отрицательный электроды батареи контактируют с проводящей поверхностью сепаратора батареи. Принимая во внимание описанные в общих чертах некоторые варианты реализации изобретений, дополнительные аспекты вариантов реализации изобретения будут уяснены при обращении к фигурам.

[0026] Фиг.1 иллюстрирует поперечное сечение элемента (аккумулятора) 100 свинцово-кислотной аккумуляторной батареи. В одном из вариантов реализации свинцово-кислотная аккумуляторная батарея может включать 3 таких элемента 100, соединенных последовательно с обеспечением напряжения примерно 6,3 вольта. В еще одном варианте реализации свинцово-кислотная аккумуляторная батарея может включать 6 таких элементов 100, соединенных последовательно с обеспечением напряжения примерно 12,6 вольта. В других вариантах реализации свинцово-кислотная аккумуляторная батарея может включать больше или меньше элементов в зависимости от требуемого напряжения.

[0027] Элемент 100 включает в себя положительный электрод 102 и отрицательный электрод 112. Положительный электрод 102 включает проводник 106 положительного электрода, такой как металлическая пластина или решетка, имеющий покрытие из положительного активного материала, такого как диоксид 104 свинца. Проводник 106 электрически соединен с положительной клеммой 108. Подобным образом, отрицательный электрод 112 включает проводник 116 отрицательного электрода, такой как металлическая пластина или решетка, имеющий покрытие из отрицательного активного материала, такого как свинец 114. Проводник 116 электрически соединен с отрицательной клеммой 118. Положительный электрод 102 и отрицательный электрод 112 погружены в электролит (не показан), который может включать серную кислоту и воду.

[0028] Положительный электрод 102 и отрицательный электрод 112 разделены сепаратором 120 батареи. Сепаратор 120 батареи предотвращает физический контакт положительного электрода 102 и отрицательного электрода 112, в то же время обеспечивая возможность ионного транспорта сквозь сепаратор 120 батареи, тем самым замыкая цепь и позволяя электронному току протекать между положительной клеммой 108 и отрицательной клеммой 118.

[0029] Сепаратор 120 батареи включает пористый волокнистый мат 122, который включает множество электроизолирующих волокон, таких как стекло, полиолефин, сложный полиэфир и тому подобные. В одном варианте реализации волокнистый мат 122 является по существу непроводящим, имеющим электрическое сопротивление выше, чем примерно 1 Мегом на квадрат. Благодаря низкой проводимости, волокнистый мат 122 электрически разделяет положительный электрод 102 и отрицательный электрод 112 или, другими словами, предотвращает или сводит в минимуму протекание тока электронов между положительным электродом 102 и отрицательным электродом 112 и тем самым закорачивание цепи. В одном варианте реализации волокнистый мат 122 включает стеклянные, полиолефиновые или сложнополиэфирные волокна, или любое их сочетание, которые соединены (связаны) друг с другом с помощью связующего. Мат 122 из стеклянных, полиолефиновых или сложнополиэфирных волокон может быть изготовлен путем удаления (например, с помощью вакуума) жидкости из суспензии волокон в жидкой среде. Затем на уложенные мокрым способом («ветлейд», от англ. wet-laid) нетканые стеклянные или полиолефиновые волокна наносят связующее с образованием волокнистого мата 122. В одном варианте реализации волокнистый мат 122 может иметь толщину между примерно 50 микрометрами и примерно 500 микрометрами, пористость между примерно 50 процентами и примерно 90 процентами, а также иметь средний размер пор между примерно 5 микрометрами и примерно 5 миллиметрами.

[0030] В других вариантах реализации волокна волокнистого мата 122 могут включать неорганические керамические материалы, или разнообразные полимеры, такие как поливинилиденфторид, политетрафторэтилен, полиамид, поливинилхлорид, сложный полиэфир, найлон, полиэтилентерефталат, и тому подобные.

[0031] На одной стороне волокнистого мата 122 может быть расположен проводящий слой 124, сформированный нанесением проводящего материала на поверхность волокнистого мата 122. В варианте реализации, показанном на Фиг.1, проводящий слой 124 расположен обращенным к положительному электроду 102, хотя в других вариантах реализации проводящий слой 124 может быть обращенным к отрицательному электроду 112. Проводящий материал, а значит, и проводящий слой 124 или проводящая поверхность волокнистого мата 122 контактируют с положительным электродом 102 или, более конкретно, с положительным активным материалом (например, диоксидом 104 свинца) положительного электрода 102. Проводящий материал и/или проводящий слой 124 имеет электрическое сопротивление менее чем примерно 100000 Ом на квадрат, а в большинстве случаев - менее чем примерно 50000 Ом на квадрат, чтобы позволять или усиливать течение электронов на поверхности волокнистого мата 122. В некоторых вариантах реализации проводящий слой 124 может быть электрически соединен с положительной клеммой 108 (или отрицательной клеммой 118, когда он расположен обращенным к отрицательному электроду 112), чтобы обеспечивать маршрут или путь для течения электронного тока между положительным электродом 102 (или отрицательным электродом 112) и положительной клеммой 108 (или отрицательной клеммой 118) и/или проводящей деталью, электрически соединенной с ними. В других вариантах реализации электроны могут протекать либо по волокнистому мату 122, либо по проводнику 106 положительного электрода, в зависимости от того, какая проводящая поверхность обеспечивает путь электрического тока с минимальным сопротивлением. Например, электроны ближе к положительной клемме 108 могут протекать вдоль пути электрического тока по проводнику 106 положительного электрода, тогда как электроны дальше от положительной клеммы 108 могут протекать вдоль пути электрического тока по волокнистому мату 122 вследствие усиления образования сульфата свинца на прилегающем к этому месту проводнике 106 положительного электрода.

[0032] В одном варианте реализации проводящий слой 124 формируют на поверхности волокнистого мата 122 нанесением покрытия из проводящего материала на волокнистый мат 122 или распылением проводящего материала на поверхность волокнистого мата 122. Например, проводящий материал может быть добавлен к первичному связующему веществу, которое наносят на уложенные мокрым способом нетканые волокна для соединения волокон между собой. Смесь первичного связующего/проводящего материала и уложенные мокрым способом нетканые волокна затем могут быть отверждены так, что проводящий материал полностью покрывает или пропитывает весь волокнистый мат 122 с образованием проводящего слоя 124. В еще одном варианте реализации волокнистый мат 122 может быть изготовлен стандартным способом, где первичное связующее без проводящего материала наносят на уложенные мокрым способом нетканые волокна для связывания волокон друг с другом. Затем проводящий материал может быть диспергирован во вторичном или разбавленном связующем, которое затем наносят или напыляют на поверхность волокнистого мата 122. Затем волокнистый мат 122 может быть отвержден, так что проводящий материал образует проводящий слой 124 на определенном участке или на всей поверхности волокнистого мата 122. В этом варианте реализации бульшая часть проводящего материала может лежать или быть размещена поверх поверхности волокнистого мата 122.

[0033] В еще одном варианте реализации волокнистый мат 122 может быть изготовлен согласно известному способу. Затем на поверхность волокнистого мата 122 может быть добавлен катализатор, и на поверхности волокнистого мата с помощью нанесенного катализатора могут быть «выращены» ионы металла, такого как медь. В еще одном дополнительном варианте реализации проводящий материал проводящего слоя 124 может быть введен в волокнистый мат 122 посредством процессов химического осаждения из паровой фазы.

[0034] В условиях работы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи используемый проводящий материал должен быть относительно устойчивым к коррозии, вызванной агрессивной электрохимической средой в батарее. В некоторых вариантах реализации проводящий материал может включать металл, наноуглерод, графен, графит, проводящий полимер (например, полианилины), наноуглеродные материалы или углеродные нанотрубки, медь, оксиды титана, оксиды ванадия, оксиды олова и тому подобные. В одном конкретном варианте реализации проводящий материал включает углеродные нанопластинки, такие как графен. Графен может быть добавлен к первичному связующему или вторичному/разбавленному связующему, как описано выше, и нанесен на волокнистый мат 122 (например, мат из стеклянных или полиолефиновых волокон) в количестве между примерно 0,5% и 50% по весу или, в некоторых вариантах реализации, между примерно 1% и 10% по весу. Будучи отвержденным, покрытие с графеном образует проводящий слой 124 в пределах определенной части или всей поверхности волокнистого мата 122.

[0035] В еще одном варианте реализации проводящий слой 124 содержит проводящие волокнистый мат, фольгу или сетку, которые размещены примыкающими к поверхности волокнистого мата 122. В одном варианте реализации проводящий волокнистый мат может быть изготовлен нанесением покрытия из проводящего материала на волокнистый мат 122 или напылением проводящего материала на поверхность волокнистого мата 122. Фольга или сетка может включать металл, один или более проводящих полимеров, и тому подобное. Проводящий волокнистый мат может включать множество проводящих волокон, размещенных в нетканой или тканой конфигурации и связанных друг с другом с помощью связующего. Проводящий волокнистый мат может быть связан с волокнистым матом 122 с помощью связующего и тому подобного. Электроны могут протекать вдоль проводящего волокнистого мата, фольги или сетки, как здесь описано, вплоть до положительной и/или отрицательной клеммы, или через диоксид 104 свинца и/или свинец 114. Как описано выше, проводящий материал проводящего волокнистого мата, фольги или сетки может включать металл, наноуглерод, графен, графит, проводящий полимер (например, полианилины), наноуглеродные материалы или углеродные нанотрубки, медь, оксиды титана, оксиды ванадия, оксиды олова и тому подобные.

[0036] На противоположной стороне волокнистого мата 122 размещают микропористую мембрану, такую как полимерная пленка 126 или AGM (поглощающий стеклянный мат). Полимерная пленка может быть расположена примыкающей к отрицательному электроду 112 и может включать микроразмерные пустоты, которые обеспечивают возможность ионного транспорта (т.е. переноса ионных носителей заряда) сквозь сепаратор 120 батареи. В одном варианте реализации микропористая мембрана или полимерная пленка 126 может иметь толщину 50 микрометров или менее, а предпочтительно - 25 микрометров или менее, может иметь пористость примерно 50% или 40% или менее, а также может иметь средний размер пор 5 микрометров или менее, а предпочтительно 1 микрометр или менее. Полимерная пленка 126 может включать полимеры разнообразных типов, в том числе полиолефины, поливинилиденфторид, политетрафторэтилен, полиамид, поливиниловый спирт, сложный полиэфир, поливинилхлорид, найлон, полиэтилентерефталат и тому подобные.

[0037] Обращаясь теперь к Фиг.2, там проиллюстрировано поперечное сечение другого варианта реализации элемента 200, имеющего положительный электрод 202 и отрицательный электрод 212, разделенные сепаратором 220 батареи. Подобно элементу 100, положительный электрод 202 включает проводник 206 положительного электрода, положительный активный материал, такой как диоксид 204 свинца, и положительную клемму 208. Подобным образом, отрицательный электрод 212 включает проводник 216 отрицательного электрода, отрицательный активный материал, такой как свинец 214, и отрицательную клемму 218. Сепаратор 220 батареи включает микропористую мембрану 222, такую как описанная выше микропористая мембрана (например, полимерная пленка). В некоторых вариантах реализации деталь 222 представляет собой волокнистый мат (например, AGM или полиолефиновый мат), который не имеет проводящего слоя или поверхности. Стеклянный/полиолефиновый мат или микропористая мембрана 222 имеет пренебрежимо малую проводимость (например, электрическое сопротивление 1 Мегом на квадрат или более), так что электроны не протекают или не переносятся через стеклянный/полиолефиновый мат или микропористую мембрану 222. На каждой стороне микропористой мембраны 222 расположен волокнистый мат, 230 и 240 соответственно, так что микропористая мембрана (или, альтернативно, стеклянный/полиолефиновый мат) 222 проложена между двумя волокнистыми матами. Волокнистые маты 230 и 240 могут включать сходные волоконные материалы, такие как стекло или полиолефин, или различные волоконные материалы. Каждый волокнистый мат, 230 и 240, может быть проводящим или включать проводящий слой, 232 и 242 соответственно, так чтобы и отрицательный электрод 212, и положительный электрод 202 контактировали с проводящим слоем или поверхностью соответствующего волокнистого мата. Как здесь описывается, электроны могут протекать вдоль или относительно проводящих слоев или поверхностей, 232 и 242, волокнистых матов, 230 и 240 соответственно. В еще одном варианте реализации только один из волокнистых матов, 230 и 240, может быть проводящим или включать проводящий слой. Например, оба волокнистых мата, 230 и 240, могут быть стеклянными или полиолефиновыми волокнистыми матами, но только волокнистый мат 240, который контактирует с положительным электродом 202, может включать проводящий слой 242.

[0038] Проводящий слой 232 и 242 может включать сходные проводящие материалы и слои, такие как графен или еще один материал, нанесенный в виде покрытия или наложенный на волокнистые маты, волокнистые маты, выполненные из проводящих волокон, и тому подобные, или же может включать различные проводящие материалы и слои, так что один мат имеет проводящее покрытие, тогда как другой мат имеет проводящие волокна, или оба мата включают разнородные покрытие или проводящие волокна.

[0039] В еще одном варианте реализации единичный волокнистый мат может включать проводящие слои на обеих сторонах или поверхностях волокнистого мата, так что и положительный электрод, и отрицательный электрод контактируют с проводящим материалом одного из соответствующих проводящих слоев единичного волокнистого мата.

[0040] Обращаясь теперь к Фиг.3, там проиллюстрирован вид в перспективе нетканого волокнистого мата 300, имеющего проводящую поверхность 304, вдоль или по которой могут протекать электроны. Часть проводящей поверхности 304 вырезана, чтобы показать множество спутанных волокон 302 (например, стеклянных волокон), которые могут быть соединены друг с другом связующим с образованием нетканого волокнистого мата 300. Проводящая поверхность 304 может представлять собой покрытие из проводящего материала или отдельный мат, пленку или сетку, размещенные примыкающими к поверхности множества спутанных волокон 302. Хотя проводящая поверхность 304 показана на Фиг.3 как сплошная поверхность или лист, должно быть понятно, что проводящая поверхность 304 может быть покрытием на индивидуальных волокнах (например, стеклянных волокнах) волокнистого мата 300.

[0041] В одном варианте реализации проводящий материал (например, графен) смешивают с первичным связующим или вторичным связующим и наносят на множество спутанных волокон 302 во время изготовления волокнистого мата 302 или после этого. В еще одном варианте реализации проводящий волокнистый мат включает множество спутанных проводящих волокон, соединенных друг с другом с помощью связующего. Проводящая поверхность 304 может иметь электрическое сопротивление менее чем примерно 100000 Ом на квадрат, а чаще всего - менее чем примерно 50000 Ом на квадрат, чтобы позволить электронам течь на проводящей поверхности 304 волокнистого мата 300.

[0042] Обращаясь теперь к Фиг.4, там проиллюстрировано увеличенное поперечное сечение элемента 400 батареи, такой как свинцово-кислотная аккумуляторная батарея. Элемент 400 включает в себя проводник 404 положительного электрода, электрически соединенный с положительной клеммой 406. Проводник 404 может иметь покрытие из положительного активного материала, такого как диоксид 402 свинца. Расположенный примыкающим к материалу диоксида 402 свинца волокнистый мат 410 имеет проводящую поверхность 412, как описано выше (например, покрытие, проводящий волокнистый мат и тому подобное). Элемент 400 погружен в электролит (не показан) и претерпевает электрохимическую реакцию по мере того, как ток протекает от положительной клеммы 406 к отрицательной клемме (не показана). Когда происходит электрохимическая реакция, диоксид 402 свинца преобразуется в сульфат 420 свинца, и в слое 402 генерируются электроны. Сульфат 420 свинца в принципе является изолятором и может образовывать непроницаемый слой, заключающий в себе частицы диоксида 420 свинца, что может ограничивать полезное использование диоксида 402 свинца. Кроме того, сульфат 420 свинца также может вызывать более высокое сопротивление внутри батареи, приводящее к сниженному потоку электронов через положительный электрод (например, через материал 402 диоксида свинца и проводник 404), и тем самым снижать ток от положительного электрода 406 к отрицательному электроду. Например, сульфат 420 свинца может повышать сопротивление проводника 404, так что электроны, протекающие от донной области проводника 404, испытывают повышенное сопротивление. Проводящая поверхность 412 может обеспечивать альтернативный маршрут или путь с меньшим сопротивлением, вдоль которого могут протекать электроны.

[0043] Электроны, которые сгенерированы в диоксиде 402 свинца вокруг пути 430В, могут протекать к проводящей поверхности 412 волокнистого мата 410, когда сопротивление между диоксидом 402 свинца и положительной клеммой 406 через проводник 404 повышается вследствие образования сульфата 420 свинца. Альтернативно, при ином местоположении сопротивление между диоксидом 402 свинца и положительной клеммой 406 через проводник 404 может быть более низким, чем сопротивление проводящей поверхности 412. Так, путь 430А может представлять электроны, протекающие к проводнику 404, когда образование сульфата 420 свинца развивается в точке вблизи проводящей поверхности 412. В этой ситуации электроны могут протекать либо по одному из проводящей поверхности 412 и проводника 404, либо через них обоих, в зависимости от того, какой проводящий материал обеспечивает путь с меньшим электрическим сопротивлением. Кроме того, электроны могут протекать практически везде вдоль проводящей поверхности 412, так что, когда сульфат свинца образуется на одном участке или в одной области, электроны способны обтекать этот участок или эту область.

[0044] Для простоты в элементе 400 показан только положительный электрод, хотя должно быть понятно, что вышеприведенное описание может быть равным образом применимо к отрицательному электроду.

[0045] Обращаясь теперь к Фиг.5, там проиллюстрирован способ усиления или обеспечения течения электронов на поверхности сепаратора батареи. В блоке 510 обеспечивают (берут) волокнистый мат или сепаратор батареи, содержащий волокнистый мат. Волокнистый мат может включать множество волокон (например, стеклянных волокон и тому подобных) и может иметь электрическое сопротивление более чем примерно 1 миллион ом на квадрат, как описано выше. В блоке 520 на по меньшей мере одну поверхность волокнистого мата наносят проводящий материал. Проводящий материал может иметь электрическое сопротивление менее чем примерно 100000 Ом на квадрат, а более предпочтительно - менее чем примерно 50000 Ом на квадрат, и может быть нанесен так, что проводящий материал образует проводящий слой на поверхности волокнистого мата. Проводящий слой может усиливать течение электронов по поверхности волокнистого мата. В блоке 530 на противоположной поверхности волокнистого мата (т.е. на поверхности, противоположной той поверхности, на которую нанесен проводящий материал) может быть расположена полимерная пленка или микропористая мембрана, такая как описанные выше. В блоке 540 волокнистый мат (т.е. сепаратор батареи) может быть расположен между положительным электродом и отрицательным электродом батареи так, что проводящий слой контактирует с одним из электродов для усиления течения электронов относительно находящегося в контакте электрода и/или внутри батареи.

[0046] В одном варианте реализации нанесение проводящего материала на поверхность волокнистого мата может включать нанесение покрытия из проводящего материала на множество волокон волокнистого мата. Покрытие из проводящего материала может включать связующее, смешанное с проводящим материалом. Волокнистый мат может быть пропитан связующим, например, во время изготовления волокнистого мата, и/или связующее может быть распылено или нанесено на поверхность волокнистого мата. В еще одном варианте реализации нанесение проводящего материала на поверхность волокнистого мата может включать расположение второго волокнистого мата примыкающим к поверхности волокнистого мата, причем второй волокнистый мат включает множество проводящих волокон или множество волокон, покрытых проводящим материалом, чтобы второй волокнистый мат был электропроводящим.

[0047] Способ также может включать расположение проводника положительного электрода примыкающим к поверхности положительного электрода батареи и расположение волокнистого мата (т.е. сепаратора батареи) примыкающим к положительному электроду так, что проводящий слой контактирует с положительным электродом, и так, что положительный электрод располагается между волокнистым матом и проводником положительного электрода. Электроны на первом участке положительного электрода могут протекать вдоль проводящего слоя волокнистого мата к положительной клемме батареи, поскольку проводящий слой обеспечивает путь электрического тока с минимальным сопротивлением на первом участке, если сравнивать с путем электрического тока по проводнику положительного электрода на первом участке. Подобным образом, электроны на втором участке положительного электрода могут протекать по проводнику положительного электрода к положительной клемме батареи, поскольку проводник положительного электрода обеспечивает путь электрического тока с минимальным сопротивлением на втором участке, по сравнению с путем электрического тока по проводящему слою на втором участке.

[0048] Было проведено испытание с использованием стандартного сепаратора батареи (т.е. сепаратора батареи без проводящего слоя) и описанного здесь сепаратора батареи с проводящим слоем или проводящей поверхностью. Испытание показало улучшения ресурса в батареях при использовании сепаратора батареи, имеющего проводящий слой или проводящую поверхность. Испытание было выполнено следующим образом: изготовили батареи, имеющие два электрода, мембрану из полимерной пленки и стеклянный волокнистый мат - 1 батарея включала стеклянный волокнистый мат без проводящей поверхности, а 2 из этих батарей включали стеклянный волокнистый мат с проводящей поверхностью. Универсальный преобразователь переменного тока в постоянный (AC-DC) Proam был настроен на 2,4 В и позволял заряжать аккумулятор в течение примерно 1 часа. Регистрировали величину тока. Универсальное зарядное устройство Multiplex LN-5014 позволяло выполнить полный разряд батареи. Стадии заряда и разряда повторяли в течение дополнительных циклов. Для определения емкости (в миллиампер-часах) проинтегрировали кривую «ток-время».

[0049] Как упомянуто выше, использовали два сепаратора батареи: первый сепаратор батареи со стеклянным волокнистым матом без проводящей поверхности и второй сепаратор батареи со стеклянным волокнистым матом, имеющий покрытый графеном волокнистый мат. Стеклянные волокнистые маты были размещены для контакта с положительным электродом таким образом, что проводящая поверхность второго стеклянного волокнистого мата контактировала с положительным электродом. Испытали три батареи: 1 батарея с сепаратором без проводящей поверхности и 2 батареи, имеющие сепараторы с проводящими поверхностями. Каждую батарею испытывали в течение 5 циклов заряда и разряда. Результаты испытания показаны ниже в таблице.

Тип Расчетная емкость (мА·ч) Время (мин) Средняя емкость/мин % улучшения Стандартный мат батареи 407,6 60,07 5,90 +/- 0,58 Неприменимо 366,83 60,03 347,9 60,03 328,02 60,03 321,22 60,03 Стандартный мат батареи, покрытый графеном (эксперимент 1) 406 60,07 6,30 +/- 0,35 6,7% 369,3 60,1 381,8 60,05 356 60,07 Стандартный мат батареи, покрытый графеном (эксперимент 2) 419,6 60 6,31 +/- 0,55 7,0% 396,9 60,02 387,1 60,02 349,1 59,98 341,1 60

[0050] Как показано в таблице, приблизительно 7%-ное улучшение наблюдалось в батареях с использованием сепараторов, которые включают проводящую поверхность или проводящий слой. Это 7%-ное улучшение наблюдали после уже 5 циклов заряда/разряда. Эти предварительные результаты предполагают возможность увеличения циклического ресурса батареи при использовании сепараторов батареи, включающих или имеющих проводящую поверхность или проводящий слой, таких как описанные выше.

[0051] Описанные здесь волокнистые маты и/или сепараторы батареи в общем могут быть названы непроводящими матами или матами, обладающими пренебрежимо малой проводимостью, не поддающейся оценке проводимостью, минимальной проводимостью, и тому подобное. Должно быть понятно, что непроводимость, пренебрежимо малая проводимость, не поддающаяся оценке проводимость и тому подобное может не означать абсолютное отсутствие проводимости как таковой, но скорее может описывать способность действовать или функционировать в качестве электрического изолятора. Например, такие маты (т.е. непроводящие, пренебрежимо мало проводящие, практически непроводящие и тому подобные) могут обладать столь малой проводимостью (т.е. столь высоким электрическим сопротивлением), что они могут быть использованы в качестве электроизоляционного слоя между объектами, такими как электроды батареи, и/или могут не обеспечивать какую-либо измеримую или заметную проводимость. Иначе говоря, такие маты могут действовать и/или измеряться как разомкнутая цепь (т.е. могут измеряться с приблизительно бесконечным сопротивлением).

[0052] На основе описанных некоторых вариантов реализации специалистам в этой области техники будет понятно, что могут быть использованы разнообразные модификации, альтернативные конструкции и эквиваленты без выхода за пределы смысла изобретения. В дополнение, не был описан ряд общеизвестных способов и деталей/элементов во избежание ненужного загромождения настоящего изобретения. Соответственно, вышеприведенное описание не должно восприниматься как ограничивающее объем изобретения.

[0053] Там, где приведен диапазон значений, должно быть понятно, что каждое промежуточное значение, до десятой доли единицы нижнего предела, если контекст четко не оговаривает иного, между верхним и нижним пределами этого диапазона также является конкретно раскрытым. Охвачены каждый меньший диапазон между любым указанным значением или промежуточным значением в указанном диапазоне и любое другое указанное значение или промежуточное значение в этом указанном диапазоне. Верхний и нижний пределы этих меньших диапазонов могут быть независимо включены в диапазон или исключены из него, и каждый диапазон, где какой-то, никакой или оба предела включены в меньшие диапазоны, также охвачен в рамках изобретения, при условии любого конкретно исключенного предела в указанном диапазоне. Там, где указанный диапазон включает один или оба предела, также включены диапазоны, исключающие один или оба из тех включенных пределов.

[0054] Используемые здесь и в прилагаемой формуле изобретения формы единственного числа включают упомянутые объекты во множественном числе, если контекст четко не оговаривает иного. Так, например, указание на «способ» включает множество таких способов, и указание на «устройство» включает указание на одно или более устройств и их эквиваленты, известные специалистам в этой области техники, и так далее.

[0055] Кроме того, слова «содержат», «содержащий», «включают», «включающий» и «включает», будучи применяемыми в этом описании и в нижеследующей формуле изобретения, предполагаются обозначающими наличие указанных признаков, целых чисел, компонентов или этапов, но они не исключают присутствия или добавления одного или более прочих признаков, целых чисел, компонентов, этапов, действий или групп.

Изобретение относится к сепаратору свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, имеющему проводящий слой или поверхность, а также к способу его изготовления. В одном варианте реализации сепаратор батареи может включать проводящую поверхность или проводящий слой, по которым могут протекать электроны. Сепаратор батареи может быть выполнен в виде волокнистого мата, который включает в себя множество электроизолирующих волокон, и может содержать проводящий материал, размещенный на по меньшей мере одной поверхности волокнистого мата. Проводящий материал контактирует с электродом батареи и может иметь электрическую проводимость, которая обеспечивает течение электронов на поверхности волокнистого мата. Повышение циклического ресурса батареи является техническим результатом изобретения. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея, включающая:
положительный электрод;
отрицательный электрод; и
волокнистый мат, разделяющий положительный электрод и отрицательный электрод так, чтобы электрически изолировать положительный и отрицательный электроды, причем волокнистый мат содержит:
множество волокон; и
проводящий материал, размещенный на по меньшей мере одной поверхности волокнистого мата так, чтобы контактировать с положительным или отрицательным электродом, причем проводящий материал имеет электрическое сопротивление менее чем примерно 100000 Ом на квадрат с тем, чтобы позволять электронам течь на поверхности волокнистого мата.

2. Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея по п.1, при этом проводящий материал имеет электрическое сопротивление менее чем примерно 50000 Ом на квадрат.

3. Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея по п.1, при этом проводящий материал содержит покрытие из проводящего материала, нанесенное на упомянутую по меньшей мере одну поверхность волокнистого мата.

4. Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея по п.1, при этом проводящий материал содержит проводящий волокнистый мат, размещенный примыкающим к упомянутой по меньшей мере одной поверхности волокнистого мата.

5. Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея по п.4, при этом проводящий волокнистый мат содержит множество проводящих полимеров.

6. Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея по п.1, дополнительно включающая дополнительный проводящий материал, размещенный на другой поверхности волокнистого мата так, что и положительный, и отрицательный электроды контактируют с одним из соответствующих проводящих материалов.

7. Сепаратор батареи, включающий:
мат, содержащий множество электроизолирующих волокон, причем мат предназначен разделять электроды батареи для электрической изоляции электродов; и
проводящий материал, размещенный на по меньшей мере одной поверхности мата, причем проводящий материал контактирует с по меньшей мере одним из электродов батареи и при этом проводящий материал позволяет электронам течь на поверхности мата.

8. Сепаратор батареи по п.7, дополнительно включающий микропористую мембрану, размещенную на противоположной поверхности волокнистого мата.

9. Сепаратор батареи по п.8, дополнительно включающий:
второй мат, размещенный на противоположной поверхности микропористой мембраны таким образом, что микропористая мембрана проложена между матом и вторым матом; и
второй проводящий материал, размещенный на наружной поверхности второго мата таким образом, что второй проводящий материал контактирует со вторым электродом батареи, причем второй проводящий материал имеет электрическую проводимость, которая позволяет электронам течь на поверхности второго мата.

10. Сепаратор батареи по п.7, при этом проводящий материал содержит один или более материалов, выбранных из группы, состоящей из:
проводящих полимеров;
наноуглеродных материалов;
металла;
меди;
титана;
ванадия;
графита и
графена.

11. Сепаратор батареи по п.7, при этом мат включает стеклянный мат и при этом проводящий материал содержит покрытие, нанесенное на стеклянный мат.

12. Сепаратор батареи по п.11, при этом покрытие содержит смесь связующего и упомянутого проводящего материала.

13. Сепаратор батареи по п.7, при этом мат включает стеклянный мат и при этом проводящий материал содержит второй мат, содержащий множество проводящих волокон, причем второй мат расположен примыкающим к мату.

14. Нетканый волокнистый мат с проводящей поверхностью, включающий:
множество спутанных волокон, которые образуют нетканый волокнистый мат;
связующее, которое способствует соединению множества спутанных волокон; и
слой проводящего материала, размещенный на по меньшей мере одной поверхности множества спутанных волокон, причем проводящий материал имеет электрическую проводимость, достаточную для обеспечения проводящей поверхности нетканого стеклянного волокнистого мата.

15. Способ снабжения сепаратора батареи проводящей поверхностью, включающий:
обеспечение наличия волокнистого мата, содержащего множество электроизолирующих волокон; и
нанесение на по меньшей мере одну поверхность волокнистого мата проводящего материала, образующего проводящий слой на поверхности волокнистого мата и имеющего электрическую проводимость, которая позволяет электронам течь на поверхности волокнистого мата.

16. Способ по п.15, при этом проводящий материал имеет электрическое сопротивление менее чем примерно 100000 Ом на квадрат.

17. Способ по п.15, при этом проводящий материал имеет электрическое сопротивление менее чем примерно 50000 Ом на квадрат.

18. Способ по п.15, дополнительно включающий расположение сепаратора батареи между положительным электродом и отрицательным электродом батареи так, что проводящий слой контактирует с одним из электродов для усиления течения электронов относительно находящегося в контакте электрода.

19. Способ по п.15, при этом нанесение проводящего материала на упомянутую по меньшей мере одну поверхность волокнистого мата включает нанесение покрытия из проводящего материала на множество волокон.

20. Способ по п.19, при этом покрытие из проводящего материала содержит связующее, смешанное с проводящим материалом, и при этом волокнистый мат пропитывают связующим или же связующее распыляют поверх упомянутой по меньшей мере одной поверхности волокнистого мата.

21. Способ по п.15, при этом нанесение проводящего материала на упомянутую по меньшей мере одну поверхность волокнистого мата включает расположение второго волокнистого мата примыкающим к упомянутой по меньшей мере одной поверхности волокнистого мата, причем второй волокнистый мат содержит множество проводящих волокон или множество волокон, покрытых проводящим материалом.

22. Способ по п.15, дополнительно включающий расположение микропористой мембраны на противоположной поверхности волокнистого мата.

23. Способ по п.15, дополнительно включающий:
расположение проводника положительного электрода примыкающим к поверхности положительного электрода; и
расположение сепаратора батареи примыкающим к положительному электроду так, что проводящий слой контактирует с положительным электродом, причем положительный электрод размещают между волокнистым матом и проводником положительного электрода таким образом, что электроны на первом участке положительного электрода протекают по проводящему слою волокнистого мата к положительной клемме батареи, причем проводящий слой обеспечивает путь электрического тока с минимальным сопротивлением на первом участке.

24. Способ по п.15, при этом электроны на втором участке положительного электрода протекают по проводнику положительного электрода к положительной клемме батареи, причем проводник положительного электрода обеспечивает путь электрического тока с минимальным сопротивлением на втором участке.